沿海地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕及腐蝕防護措施研究

曹建偉

摘要：隨著沿海地區(qū)建設項目的增多，沿海地區(qū)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于腐蝕問題而造成的經(jīng)濟損失以及危險危害也越發(fā)受到關注。通過對沿海地區(qū)氯離子的侵蝕以及混凝土結(jié)構(gòu)所受腐蝕作用的原因進行分析，提出相應的防腐辦法，以期為相關工程建設提供必要參考。

關鍵詞：沿海地區(qū)；混凝土結(jié)構(gòu)；腐蝕作用

1 引言

隨著社會的發(fā)展，人們開始逐漸追求海洋資源和交通便捷，于是港口、海上油田、碼頭、跨海大橋等項目開始興起，這類工程施工難度高、投資大，故沿海地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)的相關要求較普通混凝土結(jié)構(gòu)要更高。而沿海地區(qū)的氯離子等對混凝土的腐蝕造成了很大的挑戰(zhàn)，因此，對沿海地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕情況及防腐措施進行研究相當重要[1]。

2 某海邊工程工程地質(zhì)條件

某海邊工程碼頭，最長近400米，水下最深可達25米，主要涉及碼頭、堆場、和相關配套設施的建設，總建設面積近80萬m2。地質(zhì)以粘土質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)粘土、粉砂等細顆粒物質(zhì)為主。

3 氯離子的傳輸機理與擴散作用

3.1 氯離子的傳輸機理

混凝土里的氯離子有兩種來源，一種是在混凝土的制備過程中存在于拌和水、砂石骨料、水泥以及各種外加劑中的氯離子；另一種是從外部空氣或雨水海水中吸收的氯離子。在沿海地區(qū)，混凝土所處的環(huán)境氯離子含量相對較高，外部氯離子傳輸進混凝土的主要方式大致有：吸附與毛細作用、滲透作用、擴散作用等[2]。其中吸附與毛細作用主要表現(xiàn)為水與混凝土直接接觸時，混凝土的吸水以及混凝土上部干燥部分水分蒸發(fā)引起的混凝土下部的毛細作用，此作用可使海水進入到混凝土內(nèi)部40mm左右；滲透作用主要是由與液體接觸的界面內(nèi)外不同的壓力差而引起的，壓力差越大，滲透作用越快。擴散作用主要是由空氣或者與海水接觸的界面兩邊不同的濃度差異引起的，同時其也是氯離子在混凝土里傳播，引起鋼筋銹蝕、混凝土破壞的最主要的途徑。

3.2 擴散作用模型

雖然氯離子進入混凝土的機制有很多種，但是其中擴散作用是國內(nèi)外學者一致接受的最主要的傳輸機理。大量的研究表明，在未開裂的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，氯離子擴散的過程是線性的，可以按照Collepardi在1972年提出的Fick第二定律來將具有確定的物理意義的氯離子擴散濃度、擴散系數(shù)以及擴散的二階導數(shù)（即擴散的時間）按照一個簡單的式子建立聯(lián)系，并得到廣大學者的認可[3]。

Fick第二定律的表達式為：

其中：c表示氯離子的濃度；t表示鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)處于氯離子環(huán)境下的時間；D是擴散系數(shù)；x表示氯離子在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的擴散深度。

此式的邊界條件為：

x=0，t≥0時，C=CS

X>0，t=0時，C=C0

其中：CS和C0分別表示混凝土結(jié)構(gòu)表面以及初始時刻的氯離子濃度。

由上式可得其解：

其中erf表示誤差函數(shù)。

4 沿海區(qū)域?qū)炷恋那治g作用機理

沿海地區(qū)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境大概可以分為四個部分，即大氣區(qū)域；浪濺區(qū)域；水位變動區(qū)域和水下區(qū)域[4]。

其中大氣區(qū)域受到空氣中二氧化碳、酸雨和硫酸鹽以及海水蒸發(fā)中的氯離子的腐蝕作用，其中最主要的是二氧化碳引起的碳化反應，生成碳酸鈣，由于碳酸鈣是中性的，使得結(jié)構(gòu)的pH值降低，鋼筋更易被腐蝕，腐蝕情況相對較輕。

浪濺區(qū)域以及水位變動區(qū)域，由于其不止受到大氣區(qū)域相同的影響，還受到海水中硫酸根、氯離子、鎂離子等作用共同的影響，這部分區(qū)域腐蝕更為嚴重。其中混凝土與鎂離子生成氫氧化鎂，造成混凝土的溶解腐蝕；氯離子進入混凝土中，可以與鋼筋發(fā)生反應，破壞鋼筋表面的鈍化層，從而產(chǎn)生電化學腐蝕，氯離子還可以與水泥發(fā)生反應，生成體積膨脹的物質(zhì)，加快結(jié)構(gòu)的破壞；浪濺區(qū)域以及水位變動區(qū)域反復的受到海水的浸濕和風干，海水中的可溶性鹽進入混凝土中，再蒸發(fā)出來時會形成結(jié)晶狀態(tài)，從而發(fā)生體積的膨脹，破壞混凝土的保護層，故這部分區(qū)域受到腐蝕作用最為嚴重。

水下區(qū)域的混凝土結(jié)構(gòu)，氯離子與混凝土之間的發(fā)生的各種復雜的反應而產(chǎn)生的物質(zhì)可以使減少氯離子的擴散，且在水下氧氣的濃度不夠，使得氧化反應更不容易進行，因此，水下區(qū)域的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)銹蝕的情況少，水下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的壽命相對也較長。

5 混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕防護

5.1 影響氯離子傳輸性能的因素

（1）海洋環(huán)境下浪濺區(qū)域和水位變動區(qū)域的干濕循環(huán)。干濕循環(huán)對于這部分區(qū)域的腐蝕影響最為嚴重，干濕循環(huán)的周期長短嚴重影響著此處混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕程度。

（2）由于混凝土結(jié)構(gòu)表面氯離子濃度而引起的擴散作用。混凝土結(jié)構(gòu)表面的氯離子濃度主要由于混凝土制備時所摻入的水、集料、水泥以及摻合料決定。

（3）鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)所處的溫度。溫度提高會加快各種反應的速率，同時溫度升高會加快混凝土表面水分的揮發(fā)，氯離子的滲透加快，溫度升高從長期上看不利于混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

（4）混凝土中摻入粉煤灰、礦渣等摻合料的作用。這些摻合料可以和水泥發(fā)生一定的作用，生成一種硅酸鈣凝膠，這種凝膠可以將混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在的縫隙缺陷等進行填充，從而使孔隙率得到一定的控制，從而降低氯離子的滲透作用[5]。

（5）混凝土的水灰比。如果混凝土的水灰比過大，使得水泥水化反應結(jié)束后混凝土中還存有一定的水分，這部分水分會逐漸蒸發(fā)在混凝土內(nèi)部形成各種各樣的缺陷，使?jié)B透作用增大，海水接觸混凝土后，使混凝土的孔隙率進一步增大，造成惡性的循環(huán)。

（6）混凝土結(jié)構(gòu)的保護層厚度的影響?；炷帘Ｗo層是混凝土內(nèi)部鋼筋與外界之間的那部分，當外部環(huán)境一定時，混凝土保護層厚度越大，氯離子進入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部越困難，干濕循環(huán)帶來的影響也就越小。而當保護層過大時，保護層的混凝土在水化反應時會由于溫度和收縮而產(chǎn)生裂縫，使得保護層失效[6]。

5.2 混凝土結(jié)構(gòu)的防腐措施

首先應該減少擴散作用來考慮，使用符合相關標準的水、集料、水泥等原材料，減少最開始混凝土內(nèi)部的氯離子含量；使用類似礦渣等有益的摻合料，提高混凝土的密實程度；控制混凝土的最大水灰比，在保證水泥水化過程的同時，減少內(nèi)部自由水的含量；嚴格控制混凝土的攪拌與澆筑過程，確保混凝土內(nèi)部的密實，避免離析的出現(xiàn)，并進行充分的混凝土養(yǎng)護過程。根據(jù)規(guī)范，適當?shù)脑龃蠡炷帘Ｗo層厚度；可在混凝土表面做環(huán)氧樹脂涂層，增加氯離子進入混凝土內(nèi)部的困難程度，也減少氯離子在混凝土表面的聚集；可在混凝土中使用鋼筋的阻銹劑進一步保護鋼筋[7]。此外，還有電化學方法中增加一個電流，使鋼筋變成陰極的陰極保護法或者在混凝土的表面設一道電網(wǎng)為陽極的電化學除氯法。

6 結(jié)語

通過對沿海地區(qū)氯離子的侵蝕以及混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕機理進行詳盡分析，研究了沿海地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕原因，并提出一系列相應的防腐措施，只有進一步研究相關防腐措施，才能保證沿海區(qū)域混凝土結(jié)構(gòu)的安全和耐用。

參考文獻

[1]程飛，張杰，戰(zhàn)春燕.沿海地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕及腐蝕防護[J].價值工程，2017，36（31）：145-146.

[2]蔣欣. 氯鹽環(huán)境下預應力混凝土橋梁耐久性環(huán)境區(qū)劃研究[D].長安大學，2013.

[3]鄒小明，王軍.淺談沿海地區(qū)混凝土中的鋼筋銹蝕[J].商品混凝土，2012（08）：26-28+34.

[4]趙彥迪，趙鐵軍，萬小梅，徐建光.沿海地區(qū)地下混凝土結(jié)構(gòu)的環(huán)境腐蝕機理[J].混凝土世界，2011（05）：68-72.

[5]王昆. 沿海地區(qū)混凝土氯離子腐蝕質(zhì)量問題研究[D].華南理工大學，2009.

[6]楊文武. 海工混凝土抗凍性與抗氯離子滲透性綜合評價[D].重慶大學，2009.

[7]尚輝，趙睿敏.沿海地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕及腐蝕防護[J].河南建材，2007（05）：21-22.

（作者單位：山東電力建設第三工程有限公司）